Dlk1–Dio3印记结构域对哺乳动物发育至关重要，但其在协调多器官胚胎发生中的作用尚不完全明确。

2026年5月21日，哈尔滨工业大学张岩和吴琼共同通讯在Cell Death & Differentiation 在线发表题为“Allele-specific CRISPR perturbation of the imprinted Dlk1–Dio3 domain reveals regulation of BMP–NOTCH–VEGF signaling in embryonic organogenesis”的研究论文。该研究通过CRISPR/Cas9介导的转录终止盒插入技术，在Dlk1–Dio3结构域内构建了四种不同的小鼠模型，包括纯合型（HOMO）、母本遗传型（MK）、父本遗传型（PK）及野生型（WT），旨在阐明亲本来源特异性效应。跨尺度的整合转录组学分析揭示了印记基因的等位基因特异性失调以及该基因座表观遗传稳定性的改变。

至关重要的是，对胚胎发育第14.5天（E14.5）肝脏、心脏和胎盘的scRNA-seq分析表明，纯合型或母本靶向Dlk1–Dio3失活的胚胎因BMP–NOTCH–VEGF信号网络崩溃而发育停滞。这表现为器官特异性病理特征：（i）蜕膜-滋养层旁分泌通讯受损及BMP/WNT信号异常，损害母胎血液屏障，从而破坏胎盘血管生成并限制母胎营养交换；（ii）胎肝造血祖细胞呈现髓系启动受损，同时伴有NOTCH和WNT信号异常，导致肝细胞分化失败；（iii）心脏祖细胞未能接收到充分的BMP–NOTCH–VEGF信号，导致心肌细胞成熟障碍及血管缺陷。综上，这些研究结果将Dlk1–Dio3印记结构域确定为器官发生过程中细胞类型特异性信号通路的关键整合枢纽，并为理解基因组印记失调如何诱发系统性胚胎发育失败提供了机制性见解。

基因组印记（Genomic imprinting），其特征为亲本特异性的单等位基因表达，对胎盘哺乳动物的发育至关重要。Dlk1-Dio3印记结构域位于小鼠12号染色体和人类14号染色体，跨度约1 Mb，包含三个父本表达的蛋白编码基因（Dlk1、Rtl1、Dio3）以及多个母本表达的非编码RNA，例如Gtl2/Meg3、Rian、Mirg和一个广泛的microRNA簇。Dlk1印记的破坏会影响出生后生长和代谢过程，而Rtl1基因敲除则可导致胚胎致死或发育异常。尽管Dlk1-Dio3位点的基因组结构已得到明确解析，但其在协调多器官发育中的系统性作用仍不清楚

从机制上讲，一个由初级基因间差异甲基化区（IG-DMR）和次级Gtl2-DMR组成的双向印记控制区（ICR），调控着Dlk1-Dio3位点，并严格决定其等位基因剂量。这种剂量的精确维持在特定的发育微环境中至关重要。在母胎界面，母本microRNA（如miR-127）与父本Rtl1之间化学计量的平衡，驱动着迷路带的形态发生和毛细血管网络的完整性。除胎盘外，该位点还对肝脏和心脏的器官发生发挥多效性调控作用。在胎肝中，Dlk1作为非经典Notch配体调节造血分化，而偶联的母本非编码RNA则保护内皮细胞免受Caspase-9介导的细胞凋亡。在发育中的心脏内，这些转录本通过Dlk1-Notch1信号通路促进心外膜祖细胞增殖和心室致密化。重要的是，胎盘、肝脏和心脏并非孤立发育；相反，它们形成了一个相互连接的发育轴。作为层级性遗传调控枢纽，Dlk1-Dio3结构域整合了这些多器官的信号网络。解析这种复杂的跨器官交互作用对于理解由印记缺陷引起的广泛发育病理至关重要。

直到最近，对胚胎器官发生的研究主要依赖于组织整体分析，但这掩盖了细胞异质性，并模糊了罕见的细胞亚群。单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的出现彻底改变了这一领域，使作者能够精确描绘细胞类型特异性的转录程序并识别稀有的细胞谱系。当代的单细胞研究已鉴定出新的祖细胞亚群，并阐明了发育器官（如大脑和心脏）内的调控网络，这些在整体分析中未被检测到。将这些方法与基因工程动物模型相结合，为阐明特定遗传扰动破坏正常发育过程的细胞机制提供了强大框架。在作者先前的研究中，作者建立并鉴定了通过Easi-CRISPR技术构建的Gtl2转录终止小鼠模型。利用该模型，作者鉴定了纯合敲入（HOMO）、母本遗传（MK）和父本遗传（PK）敲入小鼠在胎盘、肝脏和心脏中存在的不同表型缺陷。然而，将Dlk1-Dio3失活与这些多器官衰竭联系起来的精确细胞机制和细胞间信号中断仍未明确。

图1.根据发育假时间对胎盘、肝脏和心脏谱系进行排序的示意图，绘制了发育轨迹上关键信号通路（红框）和TF（绿色椭圆）的相互作用（摘自Cell Death & Differentiation ）

在本研究中，作者采用了CRISPR/Cas9介导的Dlk1-Dio3位点印记特异性敲入等位基因生成技术，并结合多器官scRNA-seq，以阐明该印记结构域在胚胎器官发生中的分子机制。通过在Dlk1-Dio3区域内插入多聚腺苷酸化转录终止子，作者构建了HOMO、MK、PK和WT小鼠模型。表型分析显示，HOMO和MK突变体在胚胎期E14.5出现致死，而PK和WT胚胎则发育正常，这强调了该位点母本表达转录本对胚胎存活的关键功能。对E14.5胎肝、心脏和胎盘的整合单细胞转录组学分析揭示，HOMO和MK胚胎的致死源于BMP、WNT、NOTCH和VEGF信号轴的系统性崩溃，而非孤立的器官缺陷。

VEGF/IGF轴的过度活化损害了蜕膜-滋养层旁分泌通讯，而异常的BMP/WNT信号则破坏了母胎血液屏障。这些耦合的缺陷阻碍了胎盘血管生成并限制了母胎间的营养交换。在下游，失调的NOTCH和VEGF级联反应阻碍了肝脏造血祖细胞和心肌细胞的分化。这些器官特异性的病理变化拆解了生存所必需的器官间旁分泌信号网络。作者的结果表明，Dlk1-Dio3印记结构域是一个关键的层级性调控枢纽，通过调控关键信号级联反应来协调多器官发育。这项工作加深了作者对与Dlk1-Dio3印记结构域异常调控相关的发育障碍机制的理解。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41418-026-01757-y